Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано.в системах вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - уменьшение массогабаритных показателей и улучшение динамических характеристик преобразователя в переходных режимах. В преобразователь введены дополнительный отвод 32 вторичной обмотки трансформатора 3 и дополнительный диод 33, включенный между одним из входов LCD-фильтра 7 и отводом 32. На интервале прямого перемагничивания дросселя на входе фильтра действует некоторое отличное от нормы положительное напряжение, благодаря чему уменьшается длительность нулевой паузы во входном напряжении фильтра, В результатеулучшается гармонический состав фильтра , что позволяет уменьшить его массу и габариты . Уменьшение постоянной времени фильтра позволяет улучшить динамические показатели преобразователя. 4 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 02 M 3/335

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Э

О 4

У

/1 (61) 1638775 (21) 4789412/07 (22) 07.02.90 (46) 23.04.92, Бюл. ¹ 15 (71) Киевский политехнический институт им.

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В.Г,Морозов, M,Å,Àðòåìåíêî и B.Ä.Ãóлый (53) 621.314,58(088,8) (56) Севернс Р, Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. — М.:

Энергоатомиздат, 1988, с.120, рис.5.23.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1638775, кл. Н 02 М 3/335, 1988, (54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах

5 À

„„!Ы,„, 1728947 А2 вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изОбретения — уменьшение массогабаритных показателей и улучшение динамических характеристик преобразователя в переходных режимах. В преобразователь введены дополнительный отвод 32 вторичной обмотки трансформатора 3 и дополнительныйдиод33, включенный между одним из входов LCI3-фильтра 7 и отводом 32. На интервале прямого перемагничивания дросселя на входе фильтра действует некоторое отличное от нормы положительное напряжение, благодаря чему уменьшается длительность нулевой паузы во входном напряжении фильтра, В результате улучшается гармонический составфил тра, что позволяет уменьшить его массу и габариты, Уменьшение постоянной времени фильтра позволяет улучшить динамические показатели преобразователя, 4 ил.

1728947

15

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

По основному авт.св. ЬЬ 1638775 известен стабилизированный однотактный преобразователь напряжения, содержащий однотактный инвертор с цепью размагничивания и выходным трансформатором, вторичная обмотка которого через последовательно соединенныедроссель насыщения, выпрямительный диод и LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, а также токовый регулятор, управляющий вход которого через измерительно-усилительный узел подключен к выходным выводам, а силовые выводы токового регулятора подключены параллельно выпрямительному диоду. Токовый регулятор выполнен в виде последовательно соединенных транзистора и токоограничительного резистора, причем в качестве транзистора регулятора может быть использован фототранзистор оптоэлектронной пары, светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора. Токовый регулятор может быть выполнен также в виде фоторезистора оптоэлектронной пары, светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора, Стабилизация выходного напряжения осуществляется посредством изменения ширины импульсов на входе

LCD-фильтра с помощью дросселя насыщения, время перемагничивания, которого изменяется под действием тока управления 1

В, поступающего с выхода токового регулятора.

Недостатками известного устройства являются увеличение массогабаритных показателей из-за значительных габаритов сглаживающего фильтра и, как следствие, плохие динамические характеристики в переходных режимах, возникающих при пуске преобразователя и его работе на изменяющуюся нагрузку. Указанные недостатки обусловлены тем, что модуляция ширины импульсов на входе LCD-фильтра осуществляется на полную глубину(100 -ная ШИМ).

B результате ухудшается гармонический состав напряжения на входе фильтра, что при заданной амплитуде пульсации напряжения на нагрузке приводит к увеличению требуемого коэффициента сглаживания, а следовательно, массы и габаритов фильтра.

Кроме этого, из-за наличия инерционного

LCD-фильтра в контуре регулирования значительно возрастают пусковые токи в элементах схемы при включении преобразователя, а также увеличивается динамическая нестабильность выходного

55 напряжения при его работе на импульсную нагрузку, т.е. ухудшаются динамические характеристики преобразователя в переходных режимах.

Цель изобретения — уменьшение массогабаритных показателей и улучшение динамических характеристик преобразователя в переходных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированный однотактный преобразователь напряжения введен диод, подключенный между одним из входных выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора.

Благодаря введению дополнительного диода в интервале прямого перемагничивания дросселя насыщения на входе фильтра создается некоторое положительное напряжения вольтодобавки, частично заполняющие нулевую паузу. В результате уменьшаются амплитуды гармонических составляющих напряжения на входе фильтра и для их фильтрации требуется фильтр меньших габаритов и массы.

На фиг.1 представлена схема преобразователя; на фиг.2 — графики, поясняющие его работу; на фиг.3 и 4 — различные варианты выполнения токового регулятора и способы его подключения к измерительному узлу.

Преобразователь содержит однотактный инвертор 1 с цепью 2 размагничивания и выходным трансформатором 3 с вторичной обмоткой 4, дроссель 5 насыщения, выпрямительный диод 6, LCD-фильтр 7, диод 8 и выходные выводы 9 и 10, подключенные к нагрузке 11. Инвертор 1 содержит последовательно соединенные первичную обмотку выходного трансформатора 12 и силовой транзистор 13, подключенные к входным выводам 14 и 15, и систему 16 управления.

Цепь размагничивания выходного трансформатора 3 состоит из диода 17 и размагничивающей обмотки 18. Токовый регулятор

19 с силовыми выводами 20 и 21 состоит из токоограничительного резистора 22 и регулирующего транзистора 23. При этом силовой вывод 21 токового регулятора является одним из входных выводов LCD-фильтра, Управляющий вход 24 токового регулятора соединен с выходом измерительно-усилительного узла 25 с входными выводами 26 и

27, состоящего из потенциометра 28, стабилитрона 29, усилительного транзистора 30 и нагрузочного сопротивления 31. Между одним из входных выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора 32 включен диод 33.

1728947

Преобразователь работает следующим образом.

Под действием импульсов системы 16 управления силовой транзистор 13 периодически переключается с частотой f. Когда транзистор 13 открыт, напряжение на обмотках выходного трансформатора 3 имеет полярность, укаэанную на фиг.1 без скобок.

При этом диод 17 цепи 2 размагничивания закрыт обратным напряжением, равным сумме напряжений входного источника Е и размагничивающей обмотки 18. При запирании транзистора 13 полярность напряжения на обмотках трансформатора 3 изменяется на противоположную (показана в скобках). Диод 17 открывается и в интервале закрытого состояния транзистора 13 происходит размагничивание сердечника выходного трансформатора 3 напряжением

Е, приложенным к обмотке 18. В результате на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 формируется переменное прямоугольное напряжение 0г с длительностью импульса

tH и периодом Т (фиг.2б). Для надежного размагничивания сердечника трансформатора коэффициент заполнения управляющих импульсов транзистора 13 выбирают из условия уо = t

Напряжение вторичной обмотки трансформатора через последовательно соединенные дроссель 5 насыщения, выполняющий функцию широтно-импульсного модулятора, и выпрямительный диод 6 поступает на вход LCD-фильтра 7 и через него в нагрузку.

Дроссель 5 насыщения выполнен на сердечнике из материала с узкой прямоугольной петлей гистерезиса (ПП Г) (фиг.2а). В качестве материала сердечника используется пермаллой, феррит с ППГ или аморфные магнитно-мягкие сплавы, К началу каждого рабочего цикла магнитное состояние сердечника дросселя 5 насыщения характеризуется точкой на петле гистерезиса (фиг.2а), в момент времени tp (фиг.2б) отпирается силовой транзистор 13 и на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 появляется напряжение с полярностью, указанной на фиг.1 без скобок. При этом открывается диод 33 и к входу LCD-фильтра прикладывается напряжение U 2 с амплитудой Е г, снимаемое с нижней секцией вторичной обмотки трансформатора.

Одновременно в момент to отпирается выпрямительный диод 6 и сердечник дросселя

5 начинает перемагничиваться, На этапе

10 прямого перемагничивания индуктивность обмотки дросселя насыщения валика и в цепи диода 6 протекает небольшой по величине ток намагничивания сердечника. При этом практически все напряжение (0г — 0 г ), снимаемое с верхней секции вторичной обмотки трансформатора, через диод 33 приложено к дросселю насыщения (фиг.2в).

Время перемагничивания дросселля 5 до состояния насыщения определяется соотношением

М/З,ЬВ („) 1

Ег-Ег где W — число витков верхней секции вторичной обмотки;

$с — площадь сечения сердечника;

Ег, E г -амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора и на его нижней секции соответственно;

ЛB — приращение магнитной индукции в сердечнике за время перемагничивания (фиг.2а), В интервале времени te.. ti диод 33 открыт и на входе LCD-фильтра действует напряжение Ег (напряжение вольтодобавки), снимаемое с нижней секции вторичной обмотки трансформатора, которое частично заполняет нулевую паузу во входном напряжении фильтра (фиг.2г), улучшая его гармонический состав. Под действием этого напряжения ток в дросселе фильтра, равный сумме токов диодов 6 и 33, возрастает со скоростью, определяемой разностью напряжений Е г — Uevx. Диод 8 при этом закрыт обратным напряжением U г . Когда сердечник дросселя 5 перемагнитится до состояния насыщения (момент времени ti), индуктивность его обмотки, а следователь40 но, напряжение на дросселе 0д резко падают. При этом диод 33 закрывается и практически все напряжение вторичной обмотки Ег через выпрямительный диод 6 прикладывается ко входу 1 СО-фильтра (фиг.2г).

45 В интервале времени ti...t2 на входе фильтра действует напряжение с амплитудой Ег, под действием которого ток в дросселе фильтра продолжает увеличиваться со скоростью, определяемой разностью напряжений Ег-Ue x. К диоду 33 на этом интервале приложено обратное напряжение, снимаемое с верхней секции вторичной обмотки трансформатора. К концу рабочего такта (момент времени 1г) напряженность поля в сердечнике дросселя насыщения достигает величины, соответствующей абсциссе точки

Г (фиг.2а). В момент тг (фиг.2в) силовой транзистор 13 выключается и напряжение на обмотках выходного трансформатора

1728947

10 приобретает полярность, показанную в скобках. При этом выпрямительный диод 6 закрывается и ток нагрузки переходит в цепь диода 8. С этого момента начинается размагничивание сердечника дросселя насыщения отрицательным током управления у, поступающим с выхода токового регулятора 19, который протекает по цепи: вторичная обмотка 4 трансформатора 3, диод 8, переход эмиттер — коллектор транзистора

23, резистор 22, обмотка дросселя 5 насыщения. На интервале размагничивания т2-тз к обмотке дросселя 5 приложено напряжение

Одн = О2 Ода Ор, (2) где Uz — напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

Uäâ — прямое падение напряжение на открытом диоде 8;

Up — падение напряжения на силовых выводах токового регулятора.

Диод 33 в указанном интервале времени остается закрытым, так как через диод 8 к нему приложено запирающее напряжение

U z . К концу интервала размагничивания (момент тз) индукция в сердечнике дроссселя насыщения под действием напряженности поля, создаваемой током управления I>, уменьшается до первоначальной величины, определяемой ординатой точки I на петле гистерезиса (фиг.2а). В момент тз открывается транзистор 13, на вторичной обмотке трансформатора появляется положительное напряжение, и далее процессы в схеме повторяются.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется посредством применения величины тока управления ly с помощью токового регулятора 19, управляющий вход

24 которого соединен с выходом измерительно-усилительного узла 25. При отклонении . выходного напряжения от номинального значения, например при его увеличении, возрастает коллекторный ток транзистора 30, а следовательно, и базовый ток транзистора 23. Это приводит к уменьшению напряжения эмиттер — коллектор транзистора 23 и увеличению тока управления Iy на выходе токового регулятора.

Вследствие увеличения управляющего тока размагничивающие ампервитки дросселя насыщения возрастают и в преобразователе устанавливается новый режим, при котором к концу интервала размагничивания магнитное состояние сердечнике будет уже характеризоваться точкой 11 на петле гистерезиса (фиг.2а). Это приводит к увеличению размаха индукции ЬВ и в соответствии с выражением(1) кувеличению времени перемагничивания дросселя tnep в рабочем так15

55 те. В результате длительность импульса с амплитудой Ez на входе фильтра уменьшается, а среднее значение выходного напряжения Ug> поддерживается на заданном уровне. При уменьшении выходного напряжения, например, вследствие снижения питающего напряжения или увеличения тока нагрузки работа схемы стабилизации протекает в обратной последовательности.

В качестве транзистора регулятора может быть использован фототранзистор оптоэлектронной пары (фиг.3), светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора и подключен к выходу измерительно-усилительного узла. При изменении выходного напряжения под действием дестабилизирующих факторов изменяется ток I на выходе измерительно-усилительного блока, а следовательно, световой поток на выходе светоизлучателя, что риводит к изменению коллекторного тока фототранзистора 23 и времени перемагничивания дросселя насыщения. С целью повышения стабильности выходного напряжения токовый регулятор может быть также выполнен в виде фоторезистора оптоэлектронной пары (фиг.4), светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора и подключен к выходу измерительно-усилительного узла. При изменении выходного напряжения изменяется ток! на выходе измерительно-усилительного блока и световой поток на выходе светоизлучателя, что приводит к изменению сопротивления фототранзистора 23, а следовательно, тока управления Iy и времени перемагничивания дросселя насыщения.

Таким образом, благодаря введению диода 33, подключенного между одним из входных выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора, в предлагаемом преобразователе на интервале прямого перемагничивания дросселя

te...t> на входе фильтра действует некоторое отличное от нуля положительное напряжеI ние вольтодобавки с амплитудой Ег, благодаря чему уменьшается длительность нулевой паузы во входном напряжении фильтра и, следовательно, улучшается его гармонический состав. Это позволяет получить заданную амплитуду пульсации напряжения на нагрузке при меньшем коэффициенте сглаживания фильтра, т.е. при меньшем произведении LC, а следовательно, уменьшить массогабаритные показатели преобразователя. Кроме этого, уменьшение постоянной времени фильтра снижает инерционность контура регулирования, в результате чего уменьшаются пус10

1728947

20 ковые токи и перенапряжения на конденсаторе фильтра при включении преобразователя, а также провалы и выбросы выходного напряжения при набросах и сбросах нагрузки, т.е. улучшаются динамические характеристики 5 преобразователя в переходных режимах.

Формула изобретения

Стабилизированн ы и од н ота ктн ы и преобразователь напряжения по авт.св.

hL 1638775, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массогабаритных показателей и улучшения динамических характеристик в переходных режимах, в него введен дополнительный диод, подключенный между одним из выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора.

1728947

Г у

1

1 (I !

Составитель С, Коняхин

Редактор О. Юрковецкая Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Шароши

Заказ 1413 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101